实验室组会上提到了这个class AB输出结构，很有意思，是竞赛的题目。这篇论文非常经典，也被Sansen收录在他的圣经著作中，这种偏置结构他称之为translinear loop。

今天就来读一读这篇论文《A compact power-efficient 3 V CMOS rail-to-rail input/output operational amplifier for VLSI cell libraries》，并结合Ivanov的理解谈一谈这个结构。

class AB的浮动电流源结构是很常用的，相信大家也在各种书里见过，非常神奇，它为输出级n管和p管提供偏置，同时提供VG之间的一个电压差值，使两管同步导通，一起上拉下推。这里面其实还有不少变化和细节问题。两个浮动电流源的作用是不同的，论文中详细阐明了两者的区别，尤其左边，它不是必须的，而是一步步演变过来。

一、M16&M20——以共模反馈的观点看静态电流IQ的控制

Ivanov认为这种Class AB输出的行为与具有共模反馈的差分结构是一致的，沿用了一般的具有共模反馈的信号流图来表示这里的环路控制。

他是这么描述的，对于输出管MN和MP来说，有两个量需要控制，一个是输出电压Vout=(IN-IP)*ZL，还有一个是静态电流IQ。IQ经常通过其他自变量产生，必须创建同时控制两个晶体管的控制系统。在这种情况下，必须使用电流sensor——FP和FN来测量电流Ip和In，并将这两个电流的平均值与Iq进行比较，然后将其用于反馈控制回路。有以下两种流图描述这种行为：

a图中，这个环路应该有一个负增益-G的放大器（我们这里假设是电流放大器）。 该放大器的输出应该使用分配器或分路器进行分路，通过链路E1和E2向门节点变量IGP和IGN提供两个信号。 输入信号VIN应该通过跨导放大器A1和A2到达相同的节点。 如果栅极节点变量为电流，则对栅极节点电阻R1和R2进行求和，得到栅极驱动电压变量VGSP和VGSN。

b图是a图的一个等效图，是比较实用的。

以浮动电流源类型的Class AB输出级为例，可以这么理解：

该电路中的Class AB推挽操作由两个反馈环控制。 晶体管MNS为MN提供本地反馈回路，当MN的电流减小时增加电流IMNS（图7-3C的FN和gmns)，起到保持MN栅极电压的作用，同时使晶体管MP导通（MNS的源极和漏极实现分配器功能操作）。这里IP和IN的电流sensor就是VGSP和VGSN，与VP、VN相减，则偏置电压VP、VN就是控制共模量IQ的关键所在。图中有一些量没有标出来，我在下图中重新标注了一下，作流图时应把RP、RN看作树，MPs和MNs看作余树。

关于这个浮动电流源对于第一级增益的影响，如果两管gm相同，那么相当于一个简单的1/gm电阻，可以忽略不计。如果gm不同，可以通过上面的流图计算出两端分别的增益（这里不展开了）。

二、M27&M28——叠加电流的巧妙方法

左边的这个浮动电流源更有来头了。我们一步步解释它的由来。

论文中说，最初的设计如图6，第一级就完完全全是个折叠cascode单级运放，然后搭上了后面的Class AB输出级，就是把上面的结构拼在一起。问题在于Ib6和Ib7两个电流源不但降低了增益，还引入了额外的噪声和失调，作者希望不要引入Ib7和Ib7这两个额外的电流源，于是变成了图8：

此电路有些问题，在于IQ受到共模输入电平的影响较大。由于Ib3、Ib4是限定死的，那么M20和M19的电流之和就等于Ib4减去输入P管的电流，变化较大。于是作者又想办法，不能将这里的Ib4限定死，希望底下的电流能随P管过来的电流变动而变动，而M16的电流保持不变。他分别做了两个电流源，通过折叠的电流源结构，实现了这一功能，得到图9：

但他还是对这个电路有些不满意，将Ib3和Ib4也合并掉了，得到图10：

除了节省掉一路电流，它还有额外的好处：Ib3产生的噪声由电流镜传过来叠加之后，两个相关的噪声抵消掉了！这不同于图9，图9中两路电流源是独立的非相关的，叠加到输出端时，噪声的方差要相加。

电流源Ib3应该采用何种结构呢，这是个浮空的电流镜，容易想到的是sansen书上的这种结构：

但作者不满足于这种固定电流的电流镜，而是使用了和电流叠加端相同的结构，如图11：

这种结构的一个缺陷是电流源的输出阻抗不够大，只有1/gm，所以会随输入共模电平的变化而有一定的波动。但这个波动不如图8那么直接，相当于有个电阻分流在这，变化会减小几倍。

好在如果设置的电流本身就够大（这样cascode管的gm大，还正好可以用上cascode补偿），那么输入级电流的变化再经过分流过来，影响就很小了。论文里输入级的电流是2.5uA，M19M20的电流是28uA。最后共模输入电平对Ifloat的影响大概只有5%。

那么为什么采用这种输出阻抗小的电流源呢？作者有他的理由，他希望电源对两边的影响是一致的，这样对静态电流IQ的影响最小。推导比较复杂，暂时也没有想到直观理解的方法。

扫描VDD，查看输出级N管的VGS，绿色采用了理想电流源，红色采用了文献中的电流源。可以看到，VDD的影响确实小了很多。

其实本身采用理想电流源，这个VGS变化也不是非常大。如果电路上下完全对称，那VDD的影响就是0。但N管和P管很难做到完全一样。

所以说这里有个取舍，要看共模电平和VDD哪个对IQ的影响更大以决定这里浮动电流源的结构选择。

总结

这个小小的电路蕴含着很多细节，左右两边结构一样，但作用却完全不同。Ivanov从共模反馈的角度来理解这里IQ的控制，非常深刻，很有意思。原论文中，考虑了很多影响IQ的因素，也考虑了噪声和失调的优化。在优化VCM的影响还是优化VDD的影响之间，选择了后者。